FLUJO EN TUBERIAS

TUBERIAS Las tuberías trabajando “a presión” permiten conducir

el agua, aún a contrapendiente. Para eso requieren de cierta cantidad de energía por unidad de peso, “proporcionada por una unidad de bombeo”.

MATERIALES COMUNMENTE USADOS

Plásticos (PVC, HDPE,PE)

Acero galvanizado

Cobre (K,L,M)

DISEÑO DE TUBERIAS CONCEPTO DE PERDIDAS DE CARGA

LINEA DE ENERGIA

COTA PIEZOMETRICA

NUMERO DE REYNOLDS Este número es adimensional y puede utilizarse para

definir las características del flujo dentro de una tubería.

El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento.

LAS PERDIDAS DE CARGA CONTINUAS, SE DEBEN A LA FRICCION, Y SE CALCULAN POR MEDIO DE

LA FORMULA DE DARCY - WEISBACH

Donde: v = velocidad (m/s) g = aceleración grav. (9.81 m/s2) f = coeficiente de fricción D= Diametro de la tuberia (m)

f ADIMENSIONAL

El coeficiente de fricción es adimensional y depende,, de las características del flujo y del material de la

tubería, es decir f = f (Re, ε/D)

ESPESOR RELATIVO DE LA TUBERÍA se llama al cociente entre la rugosidad ABSOLUTA y el diámetro de la tubería: ε/D

COEFICIENTE DE FRICCION El coeficiente de fricción depende de:

• Rugosidad relativa de la tubería (e)

• Nº de Reynolds

El valor de f se obtiene:

Abaco de Moody

Fórmula de Colebrook (necesita de aproximaciones sucesivas)

Otra ecuación que se puede emplear en régimen turbulento rugoso, es la de Swamee y Jain.

k = K/D RUGOSIDAD RELATIVA

k, es el «FACTOR DE RUGOSIDAD» o «RUGOSIDAD RELATIVA», significa que un tubo nunca es perfectamente liso, sino que tiene sus rugosidades propias del material y del proceso de fabricación; y que una misma rugosidad afecta de distinta manera si el diámetro del tubo es pequeño (afecta mas) o si el diámetro del tubo es grande (afecta menos)

Analizando la ecuacion, teniendo en cuenta que el denominador esta precedido de un logaritmo, se puede desprender que :

A mayor Reynolds menor f

A mayor k, menor f

PERDIDAS DE CARGAS FRICCIONALES

DARCY - WEISBACH

La formula de Darcy–Weisbach puede ser re-escrita en el formato estándar de pérdida de carga como:

HAZEN - WILLIAMS

FAIR – WHIPPLE - HSIAO

PERDIDA DE CARGA LOCALIZADA PERDIDA SINGULAR

METODO DE LONGITUD EQUIVALENTE

Expresada como N° de diámetros o unidades de longitud

Longitud equivalente = L/D x D = L

Con L entró a la fórmula de pérdida de carga

TAREA: DETERMINAR LAS PERDIDAS DE CARGAS SINGULARES Y FRICCIONALES DEL SISTEMA DE TUBERIAS

Reglamento de Instalaciones Domiciliarias de Agua Potable y Alcantarillado (RIDDA) 1. INSTALACION DOMICILIARIA DE AGUA POTABLE

Las obras necesarias para dotar de este servicio a un inmueble desde la salida de la llave de paso colocada a continuación del medidor o de los sistemas propios de abastecimiento de agua potable, hasta los artefactos.

2. INSTALACION DOMICILIARIA DE ALCANTARILLADO DE AGUAS SERVIDAS

Las obras necesarias para evacuar las aguas servidas domésticas del inmueble, desde los artefactos hasta la última cámara domiciliaria, inclusive, o hasta los sistemas propios de disposición.

3. ARRANQUE DE AGUA POTABLE

El tramo de la red pública de distribución, comprendido desde el punto de su conexión a la tubería de distribución hasta la llave de paso colocada después del medidor inclusive.

4. UNION DOMICILIARIA DE ALCANTARILLADO

El tramo de la red pública de recolección comprendido desde su punto de empalme a la tubería de recolección, hasta la última cámara de inspección domiciliaria exclusive.

DEFINICIONES Artículo 40º: Para los efectos de las normas técnicas a que se refiere esta parte del Reglamento, se entenderá por:

a) BOCA DE ADMISION: Es el extremo más alto de una tubería o cámara de inspección de la instalación domiciliaria de alcantarillado, destinada a recibir aguas servidas domésticas.

b) CAPACIDAD NOMINAL DE UN MEDIDOR: Conocida también con la designación de "Gasto Característico", significa el caudal al cual el medidor debe funcionar en forma permanente y satisfactoria bajo condiciones normales de uso.

c) GASTO MAXIMO PROBABLE (QMP): Concepto probabilístico mediante el cual se cuantifica el máximo caudal con el que deben diseñarse las instalaciones de agua potable de inmuebles que tienen una determinada característica de consumo.

d) CIERRE HIDRAULICO: Accesorio o aparato diseñado y construido de manera de proporcionar, cuando es adecuadamente ventilado, un sello líquido que previene el retroceso de los gases, sin afectar el flujo de las aguas servidas que escurren a través de él.

e) LONGITUD EQUIVALENTE: Es una longitud estimada de tubería que representa, para los efectos de cálculo, las pérdidas de carga singulares, es decir aquellas ocasionadas por piezas especiales y accesorios de unión.

m) VENTILACION: Tubería o sistema de tuberías instaladas para proveer un flujo de aire hacia y desde el sistema de alcantarillado o para proporcionar una circulación de aire dentro del sistema a objeto de proteger los cierres hidráulicos de sifonaje.

f) RAMAL: Tubería que recibe los efluentes de los artefactos sanitarios y se empalma con la tubería de descarga o tubería principal.

g) REGISTRO: Pieza especial destinada a facilitar el acceso a los ramales y descargas, con fines de desobstrucción.

h) TUBERIA DE DESCARGA: Es la canalización de bajada vertical a la que empalman los ramales, destinada a la conducción de las aguas servidas domésticas.

i) TUBERIA DE DESCOMPRESION: Es la canalización que se instala a las descargas de los edificios de más de ocho pisos, que se conecta con el extremo inferior de la descarga, con una ventilación, con una cámara de inspección o con tramos superiores de la misma descarga y cuyo objeto es evitar que el aire contenido en las tuberías adquiera presiones que produzcan sifonaje y otras anormalidades en los artefactos.

j) TUBERIA INTERCEPTORA: Es aquella que recibe cualquier otra tubería lateral y es distinta a la descarga.

k) TUBERIA PRINCIPAL: Es la que recibe las ramificaciones, comienza en la tubería de ventilación principal y termina en la unión domiciliaria.

l) UNIDAD DE EQUIVALENCIA HIDRAULICA (UEH): Concepto probabilístico, en términos del cual se cuantifica la contribución de gasto al sistema de tuberías de la instalación domiciliaria de alcantarillado, de cada uno de los artefactos instalados, expresado en una determinada escala.

Diseño y cálculo de las Instalaciones Domiciliarias de Agua Potable

DETERMINACION DE PERDIDAS DE CARGA

PARA INSTALACIONES DE AGUA POTABLE (IDAP) ALIMENTADAS DESDE LA MATRIZ LA PRESION EN EL ARTEFACTO MAS DESFAVORABLE NO DEBE SER MENOR A 4 mca.

PARA INSTALACIONES DE AGUA POTABLE (IDAP) ABASTECIDAS A DESDE MEDIOS MECANICOS LA PRESION EN EL ARTEFACTO MAS DESFAVORABLE NO DEBE SER MENOR A 7 mca, NI UNA VELOCIDAD SUPERIOR A 2,5 m/s

CAUDAL INSTALADO (QI) Caudal instalado (QI) se evalúa asignando un

caudal a cada artefacto según la tabla de la Norma NCh 2485 of. 2000 siguiente:

VERIFICACION DEL MEDIDOR Cálculos y condiciones del medidor:

Pérdida de carga en el medidor

Para el cálculo de la pérdida de carga en el medidor podrá utilizarse la fórmula siguiente, para medidores de transmisión mecánica de diámetro igual o inferior a 38 mm.

𝐾 = 0.036𝑄𝑀𝑃

𝐶

2

QMP : Gasto máximo probable en L/min.

C : Capacidad máxima del medidor en m3/día.

K : Pérdida de carga en m.

Capacidad máxima de los medidores

Para la determinación del diámetro del medidor se podrá utilizar la tabla siguiente hasta un diámetro de 38 mm. o especificaciones del fabricante. Para diámetros superiores deberá recurrirse a las especificaciones del fabricante del medidor correspondiente.

Diámetro medidor (mm) C

Consumo máximo diario (m3/dia)

QMP

Gasto máximo probable (lt/min)

13 3 50 19 5 80 25 7 117 38 20 333

El cálculo de las pérdidas de carga se iniciará en la llave de paso ubicada después del medidor, siendo necesario considerar aquellas producidas en las tuberías de la instalación interior y calentador empleado, indicando las características técnicas de este último en el plano del proyecto.

La presión mínima para el diseño de la instalación Domiciliaria de agua potable será la establecida en la Norma Chilena NCh 2485. En los casos de excepción que permite esta norma, respecto a que no se alcance la presión mínima 14 m.c.a. después de la llave de paso aguas abajo del medidor, el prestador deberá justificar técnicamente esta situación teniendo presente que la red pública debe cumplir siempre con las presiones mínimas especificadas en la NCh 691.

ENVEJECIMIENTO DE TUBERIAS A pesar de que las tuberías son cada vez más lisas en el momento de salir de

fábrica, el tiempo de funcionamiento influye muy notablemente en la rugosidad absoluta del material, en el coeficiente de frotamiento f y, por tanto, en las pérdidas de carga hf, haciéndose las tuberías más rugosas con el paso del tiempo.

Si bien no se puede cuantificar perfectamente la incidencia de los parámetros que influyen en el coeficiente de frotamiento, si se pueden considerar clasificados en tres grupos:

Parámetros fisicoquímicos de la tubería, es decir el acabado y el material de fabricación.

Parámetros fisicoquímicos del fluido, es decir, su acidez, dureza, sustancias en suspensión, minerales, los cuales pueden dar lugar a formación de incrustaciones como en el caso de sustancias calcáreas, ó erosionar la tubería disminuyendo su espesor, como en el caso de arenas en suspensión.

Parámetros hidráulicos, es decir la velocidad de circulación y la presión.

Una velocidad demasiado baja facilita la acumulación de sedimentos en el interior de la tubería, originando una considerable disminución de su diámetro, aparte del natural aumento de rugosidad, con lo cual las pérdidas de carga aumentan considerablemente.

Por el contrario, una velocidad demasiado elevada produce un efecto de erosión o desgaste del espesor del tubo, pudiendo llegar a deteriorarse con el paso del tiempo

MAQUINAS HIDRAULICAS

BOMBAS : APORTAN ENERGIA AL SISTEMA

TURBINAS : ABSORBEN ENERGIA DEL SISTEMA

LA PRESENCIA DE UNA BOMBA, SIGNIFICA UNA ELEVACION DE LA LINEA DEENERGIA

INSTALACIÓN DE BOMBEO. PUNTO DE FUNCIONAMIENTO Se denomina Altura manométrica de la instalación a la

energía necesaria para transportar un determinado caudal de líquido desde el depósito inferior (aspiración) al superior (impulsión), es decir será la diferencia de energías entre ambos depósitos más la pérdida de carga en las tuberías de aspiración e impulsión.

Por otra parte Altura manométrica de la bomba es la energía útil que la bomba le comunica al líquido, es decir será la diferencia de energías totales que tiene el líquido entre la salida y la entrada de la bomba para un determinado caudal.

TIPOS DE BOMBAS Centrífugas

Son las más usadas en Ingeniería Civil. Cubren un amplio rango de caudales y alturas de elevación.

Axiales

Bajas alturas de elevación (menos que 12 m) y caudales elevados (sobre 20 lts).

Mixtas

BOMBAS CENTRIFUGAS

CEBADO: Operación que consiste en extraer el aire de la tubería de aspiración y de la bomba para que quede llena con líquido.

BOMBAS MIXTAS

POTENCIA DE LA BOMBA POTENCIA= TRABAJO/ UNIDAD DE TIEMPO

POTENCIA = γQH (Real)

γ : peso especifico del fluido

Q: caudal m3/s

H: energía total respecto al plano de referencia (H)

SE LLAMA POTENCIA DE UNA CORRIENTE LIQUIDA A SU ENERGIA POR UNIDAD DE TIEMPO

CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS

Son relaciones entre la altura de elevación dinámica, la potencia y la eficiencia de la bomba con el caudal. Es información suministrada por el fabricante.

Debe elegirse la que mejor satisface las necesidades del proyecto

DIMENSIONAMIENTO DE LAS BOMBAS La potencia de la bomba podra calcularse por la

formula siguiente

EJERCICIO

EJERCICIO DE PRACTICA Se le ha asignado la construcción de un sistema de bombeo, desde un estanque de 5

metros de altura (estanque 1), hacia un estanque elevado a una cota de 100 metros hasta su base (estanque 2). El estanque elevado tiene una capacidad de 2 metros cúbicos y altura 2 metros, el cual es utilizado para abastecer una faena cuya demanda continua es de 50 litros por minuto. Dispone de una bomba cuya potencia es de 10 hp (potencia real, la eficiencia es del 80 %). Desde el estanque 1 a la bomba la salida es horizontal con un diámetro nominal de 5 pulgadas y una longitud de 20 metros, y de la salida de la bomba al estanque elevado el diámetro nominal es de 4 pulgadas y la longitud es de 100 metros.

En cuanto tiempo se llena el estanque, considerando que se impulsan 70 litros por minuto

Verificar si la bomba cumple con lo especificado, sino debe adquirir otra bomba con eficiencia del 80%. Indicar potencia real y efectiva

Si se instala la bomba inicial cual es el caudal que es posible impulsar, si se impulsa menos que lo que necesita la faena, en cuanto tiempo se vacía el estanque

Cual debe ser la potencia de la bomba para impulsar lo mismo que consume la faena Datos: f= 0.02 espesor 5”= 1.3 mm k1(salida estanque)= 1 espesor 2” = 1.0 mm k2 (entrada a estanque) = 0.5 espesor 1” = 0.5 mm k3 (entrada bomba) = 0.7 k4 (salida bomba) = 0.5 entre la bomba y el estanque elevado existe una perdida por conjunto de artefactos

varios de 3 metros, mientras que entre la bomba y el estanque inicial es de 1 metro

Se le ha asignado la construcción de un sistema de bombeo, desde un estanque de 5 metros de altura (estanque 1), hacia un estanque elevado a una cota de 100 metros hasta su base (estanque 2). El estanque elevado tiene una capacidad de 2 metros cúbicos y altura 2 metros, el cual es utilizado para abastecer una faena cuya demanda continua es de 250 litros por minuto. Dispone de una bomba cuya potencia es de 5 hp (potencia real, la eficiencia es del 80 %). Desde el estanque 1 a la bomba la salida es horizontal con un diámetro nominal de 4 pulgadas y una longitud de 20 metros, y de la salida de la bomba al estanque elevado el diámetro nominal es de 2 pulgadas y la longitud es de 100 metros.

En cuanto tiempo se llena el estanque, considerando que se impulsan 270 litros por minuto

Verificar si la bomba cumple con lo especificado, sino debe adquirir otra bomba con eficiencia del 80%. Indicar potencia real y efectiva

Si se instala la bomba inicial cual es el caudal que es posible impulsar, si se impulsa menos que lo que necesita la faena, en cuanto tiempo se vacía el estanque

Cual debe ser la potencia de la bomba para impulsar lo mismo que consume la faena Datos: f= 0.02 espesor 5”= 1.3 mm k1(salida estanque)= 1 espesor 4” = 1.0 mm k2 (entrada a estanque) = 0.5 espesor 2” = 0.5 mm k3 (entrada bomba) = 0.7 k4 (salida bomba) = 0.5 entre la bomba y el estanque elevado existe una perdida por conjunto de artefactos

varios de 3 metros, mientras que entre la bomba y el estanque inicial es de 1 metro

HIDROPACK

METODOLOGÍA PARA EL DIMENSIONAMIENTO Y EL DISEÑO DEL SISTEMA DEL EQUIPO DE BOMBEO PARA EDIFICIOS

CALCULO DEL TANQUE HIDRONEUMATICO

CICLOS DE BOMBEO Se denomina ciclos de bombeo al numero de arranques de una

bomba en una hora. Cuando se dimensiona un tanque se debe considerar la

frecuencia del número de arranques del motor en la bomba. Si el tanque es demasiado pequeño, la demanda de distribución normal extraer. el agua útil del tanque rápidamente y los arranques de las bombas serán demasiado frecuentes. Un ciclo muy frecuente causa un desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia.

Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora, el ciclo de cuatro (4) arranques/hora se usa para el confort del usuario y se considera que con mas de seis (6) arranques/hora puede "haber" un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo y excesivo consumo de energía eléctrica.

PRESIONES DE OPERACION DEL SISTEMA HIDRONEUMATICO PRESION MINIMA

La presión mínima de operación Pmin del cilindro en el sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma mas desfavorable y podrá ser determinada por la fórmula siguiente

Un tanque hidroneumático tiene la capacidad para almacenar un determinado volumen de agua entre dos valores de presión (entre Pa y Pb) gracias a la compresibilidad del aire que contiene estanco. Este volumen, denominado VOLUMEN A PRESION, VOLUMEN DE REGULACION O ACUMULACION (Vr), permite obtener un ciclo entre partidas sucesivas de la bomba cuando el consumo es menor que Qa y también menor que Qb. De hecho, la magnitud del Vr determina el ciclo entre partidas sucesivas. Dicho ci-clo está en función de la potencia del motor de la bomba. En consecuencia, para calcular un tanque hidroneumático SE DEBE COMENZAR POR CALCULAR SU Vr, según la siguiente ecuación:

Qm * t Vr= ---------------

4

donde: Qm = (Qa + Qb) / 2 (caudal de bombeo promedio) (lts) Si se desconoce las características de la bomba, Qm = ¾ QMP Usualmente los encargados de los proyectos consideran un diferencial de presión de 10 mca (Pb – Pa)=10 mca

Mientras mayor sea el diferencial de presión y menor el tiempo entre partidas de los motores, más pequeña resulta la capacidad del estanque de presión.

Las bombas estarán funcionando entre dos puntos de operación de presión y por consiguiente de caudal, por lo que al no ser un punto único, no podrá estar permanentemente en su punto óptimo de eficiencia.

Tiempo de Partidas Horaria (T): (min.) La tabla a) sugiere una relación mínima entre T y la potencia del motor.

siendo:

Por su parte, el volumen del tanque hidroneumático, Vh, (con membrana separadora de aire/agua y con aire pre-inyectado a Pa) se determina mediante la siguiente fórmula:

Vh (VOLUMEN TANQUE HIDROPACK) = Vr (Pb + 1) (lts)

(Pb – Pa)

RESUMEN Calculo del volumen del hidroneumático.

)(

)1(

PaPb

PbVrVh

4

*TQmVr

2

QbQaQm

Donde Qm = Caudal promedio de la motobomba (lts/min.) Qa = Caudal de partida de la motobomba (lts/min.) Qb = Caudal de parada de la motobomba (lts/min.) T = Tiempo entre partidas de motobomba (min.) Pa = Presión de conexión o partida de la motobomba (atm.) Pb = presión de desconexión o parada de motobomba (atm.) Vr = Volumen de regulación o de acumulación (lts) Vh = Volumen del estanque hidroneumático (lts)

EJEMPLO DE CALCULO Según la planilla de cálculo de pérdidas de carga,

caudales y presiones, el equipo de bombeo debe tener una altura manométrica en la impulsión de al menos 27 mca.(PRESION MAS DESFAVORABLE EN EL ULTIMO ARTEFACTO CONSIDERANDO LOS 7 mca ADICIONALES POR IMPULSION POR MEDIO MECANICO)

Para la elección de la motobomba : 27 mca

PRESIONES

Considerando un rango de presiones entre Pa y Pb de 10 mca, tenemos lo siguiente:

Pa = 28mca = 2.8atm.

Pb = 38mca = 3.8atm.

VOLUMEN DE REGULACION Potencia (P) : 4 HP (elección) Tiempo (T) : 1.5 minutos (tabla a) Para la elección de la bomba, se debe considerar la altura total de elevación y el caudal a elevar)

CAUDALES DE BOMBEO (dependen de la motobomba).

Qa a Pa : 260 lts/min.

Qb a Pb : 160 lts/min.

Caudal Medio (Qm) : 210 lts/min.

min/2102

160260

2lts

QbQaQm

CALCULO DEL VOLUMEN HIDRONEUMATICO

ltsltsTQm

Vr 7975,784

5,1*210

4

*

)(380)(2,3798,28,3

18,379

)(

)1(ltslts

PaPb

PbVrVh

Volumen de Regulación (Vr)

Volumen Hidroneumático (Vh)

Se instalará un hidroestanque de capacidad mínima 380 lts

Cálculo del Estanque Hidroneumático : (lts.)

Finalmente se calcula el volumen del estanque hidroneumático, que tendrá una relación (Vr) resultante y la presión máxima de trabajo (Pb), y una inversa al rango elegido: